可編程控制器常見問題及處理方法

馮遵安

(南京化工職業(yè)技術學院，江蘇 南京 210048)

國際電工委員會(IEC)對可編程控制器(PLC)的定義是：“可編程控制器是一種數(shù)字運算操縱的電子系統(tǒng)，專為在產業(yè)環(huán)境應用而設計的.它采用一類可編程的存儲器，用于其內部存儲程序，執(zhí)行邏輯運算、順序控制、定時、計數(shù)與算術操縱等面向用戶的指令，并通過數(shù)字或模擬式輸進/輸出控制各種類型的機械或生產過程.可編程控制器及其有關外部設備，都按易于與產業(yè)控制系統(tǒng)聯(lián)成一個整體，易于擴充其功能的原則設計[1]”.

近年來，可編程控制器技術的發(fā)展異常迅猛，各個生產廠家也推出了許多功能強大的新型PLC、各種特殊功能模塊和通信聯(lián)網器件，使可編程控制器成為集微機技術、自動化技術、通訊技術于一體的通用工業(yè)控制裝置，成為實現(xiàn)工廠自動化的一種強有力的工具，在工業(yè)控制的各個領域得到了廣泛應用.為適應這一發(fā)展形勢及需求，PLC 技術已成為各類職業(yè)技術學校甚至一流大學電氣與自動化專業(yè)的一門必修課，在高級工和技師的職業(yè)技能鑒定中可編程序控制器也成為指定的考核內容.

在從事多年的PLC教學中，發(fā)現(xiàn)要學好可編程控制器并非易事，有一些學習者甚至學了一個學期后仍然不是很了解PLC的工作原理，也不能夠編出一段正確的梯形圖程序.

1 可編程控制器的梯形圖與電氣控制原理圖的區(qū)別

梯形圖語言是一種以圖形符號及其在圖中的相互關系表示控制關系的編程語言，是從繼電器電路圖演變過來的.從圖1的電氣控制原理圖與圖2的梯形圖來看，梯形圖中所繪的圖形符號和繼電器線路圖中的符號十分相似.而且這二個控制實例中梯形圖的結構和繼電器控制線路圖也十分相似 .這兩個相似的原因非常簡單，一是因為梯形圖是為熟悉繼電器控制線路圖的工程技術人員設計的，所以使用了類似的符號；二是兩圖所表達的邏輯含義是一樣的.并且將可編程控制器中參與邏輯運算的元件看成和繼電器一樣的器件，具有常開常閉觸點及線圈；且線圈的得失電將導致觸點的相應動作.正是因為以上的相似極易讓初學者把兩者混為一談，常常把梯形圖當作電氣控制原理圖來設計.除以上原因外，一些教材和教師的教法也會造成學生的困惑.

圖1 電氣控制原理圖

圖2 梯形圖

首先在一些教材上把梯形圖的左右母線用電源線來代替，用能量流概念來代替繼電器線路中的電流概念，采用繪制繼電器線路圖類似的思路繪出梯形圖.其次，有的教師和一些參考材料上采用直接轉換法設計梯形圖，實際上就是利用梯形圖和電氣控制原理圖的相似，采用替換方法，直接由電氣控制原理圖得到梯形圖，見表1.

表1 電氣控制電路圖符號與梯形圖符號對照表

應用以上方法，初學者能很快學會編制一些簡單的梯形圖和序，但是這種理或解解釋梯形圖的方法只是看到了梯形圖與電氣控制原理圖的相似的地方，而有意的忽視了它們的區(qū)別.初學者似乎可以正確設計一些簡單的梯形圖程序，看似已經入門，實則不然.恰恰相反，正是因為這種簡單看似合理形像的解決辦法將初學者帶入了歧途.因此，有的可編程控制器學習自始至終都沒有弄明白電氣控制原理圖與梯形圖的區(qū)別在哪里，他們總是以電氣控制原理圖的形式來理解設計梯形圖，因此他們設計的梯形圖程序從電氣控制原理圖的觀點來看，無疑是正確的，然而在可編程控制器中運行中卻是錯誤的，然而設計者卻始終弄不明白錯在哪里，或是有些梯形圖對他們來說是不合邏輯的無法工作的，但在可編程控制器內卻能正常運行.例如圖3中定時輸出梯形圖和圖4中的二分頻梯形圖.

圖3 定時輸出梯形圖

圖4 二分頻梯形圖

電氣控制原理圖與梯形圖雖然非常相似，實際上它們兩個卻有天壤之別.電氣控制原理圖所表達的電路圖，實際上以電磁開關為主體的低壓電器元件，用導線依一定的規(guī)律將它們連接起來得到的繼電器控制系統(tǒng)，接線表達了各元器件之間的關系.要想改變邏輯關系就要改變接線關系.而梯形圖中的繼電器等編程元件并不是實際物理元件，而只是機內存儲器中的存儲單元，它的所謂接通不過是相應存儲單元置1而已.

只是依靠上面的幾行文字初學者并不能完全理解兩者的別，要想徹底解決這個問題，初學者就要清楚明白可編程控制器的工作原理與工作方式.

2 可編程控制器的工作方式

PLC采用“順序掃描，不斷循環(huán)”的方式進行工作的.即在PLC運行時CPU根據用戶按控制要求編制好并存儲于用戶存儲器中的程序，按指令步序號作周期性循環(huán)掃描，如無跳轉指令，則從第一條指令開始逐條順序執(zhí)行用戶程序，直至程序結束.然后重新返回第一條指令，開始下一輪新的掃描.在每次掃描過程中，還要完成對輸入信號的采樣和對輸出狀態(tài)的刷新等工作.所以PLC的每一個掃描周期必經過輸入采樣、程序執(zhí)行和輸出刷新三個階段.

PLC在輸入處理階段，也稱輸入采樣階段.在這個階段中，可編程序控制器讀入輸入口的狀態(tài)，并將它們存放在輸入數(shù)據暫存區(qū)中.在輸入處理階段之后，即使輸入口狀態(tài)有變化，輸入數(shù)據暫存區(qū)中的內容也不變，直到下一個周期的輸入處理階段，才讀入這種變化.在程序執(zhí)行階段中，PLC根據本次讀入的輸入數(shù)據，依用戶程序的順序逐條執(zhí)行用戶程序.執(zhí)行的結果均存儲在輸出狀態(tài)暫存區(qū)中.在輸出處理階段，也叫輸出刷新階段.這是一個程序執(zhí)行周期的最后階段.PLC將本次用戶程序的執(zhí)行結果一次性地從輸出狀態(tài)暫存區(qū)送到各個輸出口，對輸出狀態(tài)進行刷新.

下面通過圖5中的時序來說明PLC的工作方式.在下面的時序圖中輸入信號在第一個掃描周期的輸入處理階段之后才出現(xiàn)，所以在第一個掃描周期內各數(shù)據鎖存器均為“0”狀態(tài).在第二個掃描周期的輸入處理階段，輸入繼電器X000的輸入鎖存器變?yōu)椤?”狀態(tài).在程序執(zhí)行階段，由梯形圖可知，Y001,Y002依次接通，它們的輸出鎖存器都變?yōu)椤?”狀態(tài).在第三個掃描周期的程序執(zhí)行階段，由于Y001的接通使Y000接通.Y000的輸出鎖存器驅動負載接通[2]56.

圖5 二分頻梯形圖

從上面可編程控制器工作方式的描述中或上面的時序圖可以看出，當Y001線圈得電時，Y001的兩個常開觸點并不是同時動作，Y001上面的常開觸點要比下面的常開觸點延時一個掃描周期動作，也就造成了Y000比Y002晚一個機器掃描周期點亮.這就是可編程控制器與繼電接觸器控制系統(tǒng)最大的不同.電氣控制裝置采用硬邏輯的并行工作方式，如果某個繼電器的線圈通電或斷電，那么該繼電器的所有常開常閉觸點不論處在控制線路的哪個位置上，都會立即同時運動作；而可編程控制器采用掃描工作方式(或串行工作方式)，如果某個軟繼電器的線圈被接通或斷開，基所有的觸點不會立即動作，必須等掃描到該點時才會動作.

學習最好的方法是實踐. 因此，學習者最好通過實驗觀察或實踐來理解可編程控制器的工作方式，但是，由于PLC的掃描周期太短，最長也不超過100ms，上述時序圖中雖然Y000比Y002延遲一個機器掃描周期點亮，人們通過眼睛觀察不出它們之間的差別.為了能夠在實踐中理解PLC的工作方式，能夠觀察到這種工作方式對輸出結果的影響，不妨設計梯形圖程序來實現(xiàn)依次點亮Y0至Y3，圖6給出了兩個梯形圖程序來觀察它們輸出的區(qū)別.圖6中程序a的第一行給Y0置1，第二行表示把Y3Y2Y1Y0四位二進制數(shù)向左移一位，以上兩條指令每當X010來一個上升沿執(zhí)行一次.程序b就是把程序a的兩條指令上下交換位置.當X010連續(xù)有4個上升沿后，a程序可以依次點亮Y1、Y2、Y3，而程序b則可以實現(xiàn)自Y0至Y3的依次點亮.那么為什么a程序不能點亮Y1而程序b則可以呢？這就是由可編程控制器的工作方式決定的.

a程序先是給Y0置1緊接著又執(zhí)行移位指令，就把Y0剛置的1移到了Y1上而Y0又變成了0，所以雖然有置1指令給Y0置1，但Y0永遠都不可能為1.程序b則是先移位再置1,實際就是先把Y0位的值先移給Y1后再給Y0置1，如此就可以實現(xiàn)自Y0至Y3的依次點亮.如果能夠理解這兩個程序執(zhí)行的不同結果，則可以說對PLC的工作方式已經有了比較深的了解，然后再回過頭來看圖3和圖4的兩個程序就非常簡單了.

圖6 左移位梯形圖

3 結語

在學習可編程控制器的過程中，每個人應該根據自己的實際情況尋找適合自己的不同方法，但是動手實踐是一個最重要的環(huán)節(jié)，本文總結了初學者最常碰到的難點，并依據多年的教學實踐提出了相應的解決辦法，希望對剛涉及工控行業(yè)和有志從事該領域的人們有所啟發(fā).

[1] 史國生.電氣控制與可編程控制器技術[M]. 北京:化學工業(yè)出版社，2010.

[2] 化滿香.電氣控制及PLC應用[M].北京:北京大學出版社，2009.